城發(fā)水務(wù)有限公司 李建民

污水處理廠的污水通常包括生活污水、畜禽養(yǎng)殖污水、農(nóng)業(yè)面源污水和工業(yè)污水，主要含有有機污染物、氮、磷、懸浮物等污染物，生化性好，具有點多、寬、散、量小等特點。農(nóng)村污水處理工藝的選擇應(yīng)考慮經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的關(guān)系以及污水排放與利用的關(guān)系。農(nóng)村生活污水常用的傳統(tǒng)污水處理技術(shù)有AO工藝、MBR工藝、A2O工藝、SBR工藝、生物接觸氧化工藝、BAF工藝、凈化池工藝和組合工藝。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)可以很好地處理農(nóng)村污水，但由于投資和運行成本高，運行管理復(fù)雜，難以在農(nóng)村地區(qū)廣泛應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)還面臨著污水處理廠污水質(zhì)量和數(shù)量變化較大所造成的出水不穩(wěn)定問題。水生植物凈化污水是替代傳統(tǒng)水體修復(fù)的措施之一，具有環(huán)境友好、生態(tài)友好、經(jīng)濟高效等特點。水生植物吸收能去除重金屬、氮磷營養(yǎng)物、碳氫化合物、除草劑、殺蟲劑、殺菌劑、抗生素等物質(zhì)，是一種能耗低、成本低、維護方便的污水凈化技術(shù)。用于凈化污水的水生植物一般選用具有一定凈化能力、抗污染、抗蟲害、適合就地栽培、易于管理、綜合利用價值高、能美化景觀的水生植物。目前人工濕地的研究和應(yīng)用較多，而生物浮床的研究較少，特別是挺水植物浮床在污水處理廠的應(yīng)用研究較少。在污水處理廠安裝生物浮床，不僅可以配合微生物穩(wěn)定凈水、美化環(huán)境，還可以降低運行過程中的能耗和成本，降低運行費用。然而，現(xiàn)有的研究大多集中在污水處理廠尾水或模擬污水凈化效果，相關(guān)研究結(jié)果表明，污水處理廠尾水中的水生植物具有明顯地去除水中氮、磷的能力，但某水廠對污水處理廠與生化池的適應(yīng)性及水質(zhì)凈化效果不明確，阻礙了床與某水廠污水處理廠的耦合應(yīng)用。本實驗選取芭蕉、鳶尾黃和蘆葦，采用靜態(tài)培養(yǎng)方式處理農(nóng)村污水處理廠進水和生化池污水，考察了挺水植物對污水中污染物的凈化能力和適應(yīng)生長情況。為挺水植物浮床在農(nóng)村污水處理廠的選擇和應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

一、水生植物對湖泊水體凈化的作用研究

（一）水生植物凈化水體的途徑

1.直接吸收

對于水生植物來說，它們的生命周期比藻類長得多，它們會將從水中吸收的營養(yǎng)物質(zhì)釋放出來，直到完全死亡。這是儲存在挺水植物中的磷等元素比藻類具有更突出的穩(wěn)定性特征的主要原因。基于此，建議在水體富營養(yǎng)化狀態(tài)下種植一定數(shù)量的水生植物，以去除水體中過量的元素，并在此過程中獲取更多與水生植物相關(guān)的生物資源。植物的特征直接吸收的磷和氮的化合物，在根分泌的生長狀態(tài)可以促使一系列更沉迷于磷、氮和其他元素細菌生長過程的特點，為了實現(xiàn)磷的變換、氮等元素為目標(biāo)提供了完美的條件，從而促進水凈化效率達到目標(biāo)。

2.微生物降解

對微生物來說，通過一系列的代謝活動可以對水體中的化合物進行生物降解。以氮素為例，雖然植物吸收在這一過程中表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用效果，但硝化和反硝化仍然是使用的主要去除機制。水生植物在這一機制的支持下，可以去除約40-90%的氮。從這個角度來看，微生物在整個水質(zhì)凈化環(huán)節(jié)的降解突出作用不容忽視，如果能夠支持使用水生植物生長代謝活動的正確解決方案，將會產(chǎn)生氧氣和其他類型的營養(yǎng)的支持下扮演一個重要的角色，可促進微生物的生長，為提高污染物降解的效率奠定基礎(chǔ)[1]。

3.抑制藻類生長

對于水生植物來說，由于其生命周期長，能夠吸收更多的營養(yǎng)物質(zhì)，在競爭過程中具有比藻類更大的優(yōu)勢，這也是它們抑制藻類生長速度的主要原因。一些水生植物因其自身的浸出液而增強了抑制藻類生長的能力。此外，大量的水生植物促進生態(tài)空間的增加，這是偉大的現(xiàn)實意義的提高光和在水中溶解氧條件，提供完整的食品和生活條件一系列的水生植物，它是生物多樣性的保持狀態(tài)的關(guān)鍵因素。部分藻類作為小型水生生物的主要食物，會逐漸聚集在植物周圍生長，為藻類的生長減慢打下基礎(chǔ)。

4.物理化學(xué)分解

一些存在于水和沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)會隨著植物的吸收和揮發(fā)而逐漸消失。存在于水生植物湖邊，部分原因是土壤表面或接近風(fēng)速可以減少水體的位置的原因，使水中懸浮物沉積的量大大減少，進而將存款材料減少的風(fēng)險再懸浮現(xiàn)象，使水與植物的接觸時間顯著延長，為保證水生環(huán)境的穩(wěn)定提供了完善的條件，它在降低水體渾濁度方面也起著重要作用[2]。

（二）影響水生植物對富營養(yǎng)化水體凈化的因素

1.水體富營養(yǎng)化程度

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)⒘缀刻幱谡７秶鷷r，隨著氮、磷含量的增加，挺水植物對富營養(yǎng)化水體污染物的凈化作用也隨之增強。同時，由于不同品種的植物在生長規(guī)律上，對養(yǎng)分的需求和養(yǎng)分需求規(guī)模、養(yǎng)分飽和極限以及植物根系對微生物生長繁殖的影響等方面都有很大的差異，因此，對于多種富營養(yǎng)化水體都采取了不同的處理效果，在一定濃度下，隨著水體中N、P等元素的添加，植物的凈化效果也得到了提高[3]。一旦超過了這個限度，植物的凈化效果就會降低，植物的生長就會受到不利的影響。

2.挺水植物移植

因為不同的植物對不同的污染物有不同的凈化效果，不同的植物在不同的階段有不同的生長速率和代謝，所以合理的多株植物組合的凈化效果要優(yōu)于單一的植物。同時，可以通過多種植物的搭配增加品種的多樣性，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低病蟲害發(fā)生的概率。在植物中，挺水植物、沉水植物、漂浮植物和漂浮植物表現(xiàn)出明顯的生態(tài)差異性[4]。例如，被水淹沒的植物，它們的根、莖和葉可以很好地從水中吸收營養(yǎng)。挺水植物有更強壯的根系，可以從土壤中汲取養(yǎng)分。漂浮植物有高度發(fā)達的根系，可以從水中吸取養(yǎng)分；浮葉植物的根和莖生長在泥沙中，能從水和泥沙中吸收養(yǎng)分。幾種植物與單一挺水（沉水）水生植物組合。

3.其他因素

溫度、光照、微生物等因素也會影響植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果。一般來說，溫度越高，植物生長得越好，吸收的養(yǎng)分越多，生物量越多，凈化效果越好。相比之下，一些抗寒植物在冬天可以更好地凈水。光照強度會在一定程度上影響植物的光合作用和生長，從而導(dǎo)致凈化效果的變化。植物對N、P的利用和吸收與根系中的微生物密切相關(guān)，微生物的種類和數(shù)量也對植物的凈化效率有一定的影響。

二、材料與方法

（一）植物選擇

實驗植物為江淮地區(qū)常見的美人蕉、鳶尾和蘆葦。

（二）實驗用水

實驗分為低濃度組和高濃度組。低濃度組用水為合肥地區(qū)某村級污水處理廠生化池的混合水。高濃度組用水為污水處理廠原水。試驗水的主要理化指標(biāo)見表1。

表1 實驗用水水質(zhì)主要理化指標(biāo)

（三）實驗方法

該實驗于2019年5月至6月進行。將挺水植物幼苗清洗后置于自來水中放置1周，并測量初始的植物樣值。實驗設(shè)置3組平行處理裝置，每個處理裝置有每個處理組的水量低濃度組為45L生化池混合水，高濃度組為污水處理廠原水45L。低、高濃度組分為美人蕉組、鳶尾黃組、蘆葦組、聯(lián)合組和空白組5個處理組。每個處理組種植3棵幼苗，用泡沫板固定在水箱中。聯(lián)合組種植美人蕉、鳶尾黃和蘆葦，空白組不種植任何植物。實驗中使用的水箱為PP材質(zhì)，水箱尺寸75cm×25cm×50cm，容積為93.74L。在實驗開始時，確定污水中污染物的初始濃度。之后每周采集兩次水樣，間隔3-4天，在實驗室中測定COD、TN、NH4+-N和TP濃度。每周采集一次植物樣品，每株測量鮮重3次，取平均值。試驗期為28d，每次采集水樣后，按污水的相應(yīng)比例補充水量至45L。室溫由溫度計測量，水溫、pH值和DO由便攜式pH計（WTWpH3310）和便攜式溶解氧計（WTWOxid3210）測量。水質(zhì)指標(biāo)采用《水與廢水監(jiān)測與分析》（第四版）方法確定[5]。采用稱重法測定新興植物的鮮重。排污量是鮮重增加的單位。水中污染物濃度降低單位為mgTN/g。污染物去除率是污染物在28天后初始濃度下降的百分比。

三、結(jié)果與討論

（一）污染物處理過程中不同植物的生長

植物生物量的增加以植物鮮重表示。在圖1中，美人蕉屬植物生物量的美人蕉，虹膜黃色和蘆葦南極光增加到在實驗中，不同程度和植物生長更快地在4至11天在低濃度廢水，和有一個適應(yīng)高濃度廢水緩沖階段。美人蕉在低、高濃度污水中的適應(yīng)性較好，其次是鳶尾黃，蘆葦生長較差。試驗結(jié)束時，美人蕉在低、高濃度污水中的平均增重分別為227g和247g。TN和TP的計算去除率分別為0.43mgTN/g和0.41mgTP/g，2.02mgTN/g和1.56mgTP/g。美人蕉生長環(huán)境廣闊，能在不同污染程度的污水中良好生長。在一定污染范圍內(nèi)，氮、磷濃度越高，吸附量越大。這與之前關(guān)于尾水的研究結(jié)果相似。Chen等研究了蚯蚓、水菠菜和葛藤的生物量對污水處理廠尾水凈化效果的影響，發(fā)現(xiàn)TN、TP和NH4+-N初始濃度分別為8.36mg/L、1.17mg/L和2.17mg/L時，各類群的生物量在前期迅速增加，后期減緩。不同植物對尾水的凈化效果不同，不同初始生物量對凈化效果影響不大。綜上所述，水生植物對污染物的去除效率與植物生物量凈增加之間存在較高的相關(guān)性，當(dāng)生物量適當(dāng)增加時，吸收效率會提高。

圖1 三種挺水植物鮮重增長情況

（二）植物對不同濃度污水中污染物的去除效果

1.COD的去除效果

去除鱈魚水生植物通過吸附、吸收、穩(wěn)定和退化，植物根系的巨大的比表面積可以吸收大量的有機物質(zhì)，也可以解析釋放到水在任何時候，所以水生植物可以凈化，去除鱈魚在水中一段時間。隨著時間的推移，低、高濃度污水中COD濃度顯著降低，高濃度組的濃度顯著降低。美人蕉、鳶尾黃、蘆葦及聯(lián)合組處理28d后，低濃度組COD濃度為24-35mg/L。高濃度組COD濃度為35-55mg/L。低濃度的不同處理組COD濃度呈現(xiàn)出先快速下降后鋸齒狀上升的波動現(xiàn)象，這可能是由于水體本身有機含量低，以及凈化后種植的水生植物溶入水中造成的。高濃度不同處理組COD濃度的下降幅度逐漸放緩，說明隨著有機物濃度的降低，植物對有機物的去除能力逐漸減弱。COD濃度的明顯下降可能是由于微生物的吸收和降解以及有機物的沉降所致。

2.TN去除效果

3種挺水植物對TN均有較強的去除效果，低濃度組TN最終濃度降1.00-4.90mg/L，對TN的去除能力由強到弱為美蕉〉組合〉黃風(fēng)箏尾部〉蘆葦，去除率分別為86.61%、85.21%、84.34%、69.34%，顯著高于空白組。TN的去除率隨著時間的增加逐漸降低。水生植物在低濃度污水中培養(yǎng)4-11天對TN的去除效果較好，后期逐漸降低。結(jié)合鮮重的變化，低濃度組水生植物栽培的第4-11天是生長階段作物養(yǎng)分利用率最高的時期。這一階段的植物生長迅速，吸收養(yǎng)分的能力很強。在后期，水生植物對TN的去除效果減緩，這可能是由于在栽培過程中植物根系分泌的含氮有機質(zhì)增加了根系周圍水體的TN濃度。由于植物在高濃度廢水中生長處于適應(yīng)性緩沖階段，高濃度廢水中TN含量在前期波動緩慢，后期顯著下降。總氮去除率分別為68.03%、59.63%、58.81%和46.11%。2017年農(nóng)村污水處理的29種水生植物，篩查出29種水生植物具有良好的農(nóng)村零售生活污水凈化效果，并比較這29種水生植物的凈化能力。結(jié)果表明，美人蕉、蘆葦?shù)韧λ参飳r(nóng)村生活污水具有較高的凈化能力，適合用于農(nóng)村生活污水的植物修復(fù)和處理。

四、結(jié)語

在污水處理廠進水口水和生化塘水的靜態(tài)實驗中，挺水植物的生物量有不同程度的增加，對污染物有持續(xù)的去除作用。在低濃度廢水中，植物適應(yīng)快，4-11天為快速生長階段。在高濃度廢水中，植物恢復(fù)緩沖時間較長，甚至植物不耐。且快速生長期低濃度組TN去除率占總?cè)コ实?5.36%。挺水植物主要去除污水中的氮、磷，對COD的去除作用不大。美人蕉對高濃度廢水中TN、TP的去除率最高，分別為68.03%、47.69%。美人蕉、鳶尾黃和蘆葦組合對TN和TP的去除效果優(yōu)于鳶尾黃和蘆葦組合，說明植物組合具有正向作用，3種挺水植物可以一起種植。挺水植物在快速生長期對污水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的去除有增強作用，但成熟后對有機物的去除有影響。因此，要注意緊急植物的生長期和及時地收集和重新種植的植物在浮動床的農(nóng)村污水處理廠，以確保穩(wěn)定的水質(zhì)凈化下水生植物和污水微生物的協(xié)同作用。此外，美人蕉能夠在良好的生長條件下吸收高濃度廢水中的水污染物，種植美人蕉生物浮床可以在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠生化處理階段設(shè)置，以降低生化處理負荷，同時可在生化反應(yīng)相濃度較低的部分種植鳶尾和蘆葦?shù)龋訌姷椎男Ч?，從而降低污水運行成本，提高出水效果。